(57)【要約】【課題】高圧段過給器４と低圧段過給器３を備えた２段過給式の内燃機関において、始動時、低速低負荷運転状態、高速高負荷運転状態を含む、内燃機関２の全運転状態で、高効率なＥＧＲを実現する内燃機関及びその制御方法を提供する。【解決手段】多段過給システムと、ＥＧＲシステムを有する内燃機関において、低圧段タービン３Ｔの下流の排気通路から、低圧段コンプレッサ３Ｃの上流の吸気通路へ、ＥＧＲガスを導入する第１ＥＧＲ通路５と、内燃機関２の排気マニホールド１２から吸気マニホールド１１へ、ＥＧＲガスＥを導入する第２ＥＧＲ通路７と、分岐部Ｐ１と低圧段コンプレッサ３Ｃの間の吸気通路に設置した吸気通路切換え弁１０と、を有してＥＧＲシステム１を構成すると共に、高圧段過給器４をスーパーチャージャで構成し、低圧段過給器３を、排気タービンによる運転及び電動機運転若しくは発電器運転を行えるように構成する。【選択図】図１
2010255525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低圧段過給器及び高圧段過給器を設置した多段過給システムを有する内燃機関において、
エアークリーナから、分岐部、高圧段コンプレッサ、合流部、インタークーラ、吸気マニホールドを連通してなる第１吸気通路と、前記分岐部から低圧段コンプレッサ、前記合流部を連通してなる第２吸気通路と、を有して２ステージ過給システムを構成し、
低圧段タービンの下流の排気通路から、低圧段コンプレッサの上流の吸気通路へ、第１ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第１ＥＧＲ通路と、前記内燃機関の排気マニホールドから前記吸気マニホールドへ、第２ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第２ＥＧＲ通路と、前記分岐部と前記低圧段コンプレッサの間の吸気通路に設置した吸気通路切換え弁と、を有してＥＧＲシステムを構成すると共に、
前記高圧段過給器をスーパーチャージャで構成し、前記低圧段過給器を、排気タービンによる運転及び電動機運転若しくは発電器運転を行えるように構成したことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
低圧段過給器及び高圧段過給器を設置した多段過給システムを有する内燃機関において、
エアークリーナから、分岐部、高圧段コンプレッサ、合流部、インタークーラ、吸気マニホールドを連通してなる第１吸気通路と、前記分岐部から低圧段コンプレッサ、前記合流部を連通してなる第２吸気通路と、を有して２ステージ過給システムを構成し、
低圧段タービンの下流の排気通路から、低圧段コンプレッサの上流の吸気通路へ、第１ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第１ＥＧＲ通路と、前記内燃機関の排気マニホールドから前記吸気マニホールドへ、第２ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第２ＥＧＲ通路と、前記分岐部と前記低圧段コンプレッサの間の吸気通路に設置した吸気通路切換え弁と、を有してＥＧＲシステムを構成すると共に、
前記高圧段過給器をスーパーチャージャで構成し、前記低圧段過給器を、排気タービンによる運転及び電動機運転若しくは発電器運転を行えるように構成した内燃機関の制御方法であって、
前記内燃機関が第１の運転状態である際に、前記吸気通路切換え弁を閉止し、前記第１吸気通路を介して、前記高圧段過給器で過給を行い、
かつ、前記低圧段過給器を電動機運転し、前記第１ＥＧＲ弁の開度を制御し、前記第１ＥＧＲ通路を介して、前記低圧段コンプレッサにＥＧＲガスを導入する第１制御を行うことを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項３】
前記内燃機関が第２の運転状態である際に、前記吸気通路切換え弁を開放し、第２吸気通路を介して、前記低圧段コンプレッサで過給を行い、
かつ、前記低圧段過給を発電器運転し、前記第２ＥＧＲ弁の開度を制御し、前記第２ＥＧＲ通路を介して、前記吸気マニホールドにＥＧＲガスを導入する第２制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御方法。
【請求項４】
前記内燃機関が第３の運転状態である際に、前記吸気通路切換え弁を開放し、第２吸気通路を介して、前記低圧段コンプレッサで過給を行い、
かつ、前記第２ＥＧＲ弁の開度を制御し、前記第２ＥＧＲ通路を介して、前記吸気マニホールドにＥＧＲガスを導入する第３制御を行うことを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧段過給器と低圧段過給器を備えた２段過給式の内燃機関に関し、より詳細には、内燃機関の全運転状態において高い割合でＥＧＲを行う内燃機関及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン（内燃機関）の排気ガス中のＮＯｘ低減のために、排気ガスを吸気側に還流するＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ、排気ガス再循環）を行っている。ＥＧＲシステムは、エンジンで発生した排気ガスを、吸入空気と混合し、燃焼室に再度送り込むシステムである。
【０００３】
また、他方でエンジンのＮＯｘ―ＰＭ（微粒子状物質）の排ガス性能及び燃費性能を向上するために、エンジンに複数の過給器を設置した多段過給ステムを採用している。この多段過給システムには、例えば２つの過給器を利用した２ステージターボシステムがあり、大容量の低圧段ターボチャージャ（低圧段過給器）と、小容量の高圧段ターボチャージャ（高圧段過給器）を直列に連結して構成している。この２ステージターボシステムにおいて、エンジンの低速低負荷運転状態では高圧段ターボチャージャで立ち上がりの早い過給を行い、高速高負荷運転状態では低圧段ターボチャージャで大流量の過給を行うように制御している。
【０００４】
この２ステージターボシステムでは、エンジン回転、負荷の多様な運転状態において、容量の異なる複数のターボチャージャを並列もしくは直列、または単独で使用することにより、エンジンの各運転状態においてターボチャージャを最適な効率で利用することができる。このため、このシステムの採用により燃費を向上し、排気ガスを低減することができる。
【０００５】
この多段過給システムに前述のＥＧＲシステムを適用したエンジンが提案されている（例えば特許文献１参照）。図５に、この従来のＥＧＲシステム１Ｘの概略を示し、以下に、多段過給システムである２ステージターボシステムに適用したＥＧＲシステムの制御に関して説明する。
【０００６】
まず、２ステージターボシステムの構成及び制御に関して説明する。エンジン２の低速低負荷運転状態では、高圧段コンプレッサ４Ｃ及び高圧段タービン４Ｔを有する高圧段ターボチャージャ４による過給を行い、このとき、吸入空気Ａを、エアーフィルター１４から、低圧段コンプレッサ３Ｃ、高圧段コンプレッサ４Ｃ、インタークーラ１５ａ、吸気マニホールド１１で構成する吸気通路を経てエンジン２に供給する。エンジン２から排出された排気ガスＧを、排気マニホールド１２から、高圧段タービン４Ｔ、低圧段タービン３Ｔを有する排気通路を経て外界に排出する。
【０００７】
エンジン２の高速高負荷運転状態では、低圧段コンプレッサ３Ｃ及び低圧段タービン３Ｔを有する低圧段ターボチャージャ３により過給を行い、このとき、吸入空気Ａを、吸気切替えバルブ１６の作動により、低圧段コンプレッサ３Ｃからインタークーラ１５ａ、吸気マニホールド１１を経てエンジン２に供給する。また、排気ガスＧを、排気切替えバルブ１７の開放により、エンジン２から排気マニホールド１２、低圧段タービン３Ｔを経て排出する。つまり、高圧段ターボチャージャ４をバイパスするように制御している。
【０００８】
次に、ＥＧＲシステムの構成及び制御に関して説明する。ＥＧＲシステムは一般的には
、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ１５ｃと、ＥＧＲガスの流量をコントロールする第２ＥＧＲ弁８を介して、排気マニホールド１２と吸気マニホールド１１とを連結した第２ＥＧＲ通路７により構成する。このＥＧＲシステムをここでは、ハイプレッシャＥＧＲ（以下、ＨＰ−ＥＧＲという）と呼ぶ。
【０００９】
また、異なるＥＧＲシステムとして、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ１５ｂと、ＥＧＲガスの流量をコントロールする第１ＥＧＲ弁６を介して、低圧段タービン３Ｔの下流の排気通路と、エアークリーナ１４と低圧段コンプレッサ３Ｃとの間の吸気通路とを連結した第１ＥＧＲ経路５により構成するものもある。このＥＧＲシステムをここでは、ロープレッシャＥＧＲ（以下、ＬＰ−ＥＧＲという）と呼ぶ。
【００１０】
なお、ＥＧＲシステム１Ｘの制御は、第１ＥＧＲ弁６、第２ＥＧＲ弁８及び各種センサ（圧力センサ、温度センサ）１８と、信号線で接続したＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）と呼ばれる制御装置１９で行う。
【００１１】
２ステージターボシステムに、ＨＰ−ＥＧＲとＬＰ−ＥＧＲの両方を適用したＥＧＲシステム１Ｘによると、これらの２種類のＥＧＲを、エンジンの運転状態により選択的に制御することで、排ガス中のＮＯｘ及びＰＭ等を低減することができる。
【００１２】
しかしながら、上記のＨＰ−ＥＧＲ及びＬＰ−ＥＧＲは、それぞれ固有の問題点を有している。まず、例えばエンジン２を低速低負荷で運転する運転状態で、高圧段ターボチャージャ４を過給装置として使用して高過給を行い、燃費性能を向上させつつ、ＥＧＲを行って排気ガスの低減を行う場合の問題点を説明する。
【００１３】
エンジン２の低速低負荷運転状態において、ＨＰ−ＥＧＲでは、ＥＧＲガスを高圧段タービン４Ｔ上流の排気マニホールド１２内から取り込み、第２ＥＧＲ通路７へ供給するため、高圧段タービン４Ｔに供給する排気ガスＧの流量が減少する。このため、高圧段ターボチャージャ４の仕事量が減り、過給量が減るので、エンジン２に供給する吸入空気Ａの量が減少する。このため、エンジン２に供給する空気量が不足して、スモークが発生すると共に、ＮＯｘの低減を行うことができなくなるという問題を有している。また、高圧段ターボチャージャ４が十分に仕事をしないため、効率の低い領域でターボチャージャを使用しなくてはならないという問題もある。
【００１４】
また、エンジン２の低速低負荷運転状態において、ＬＰ−ＥＧＲでは、ＥＧＲガスを高圧段タービン４Ｔを通過し低圧段タービン３Ｔの下流のエキゾーストパイプから取り込み、第１ＥＧＲ通路５へ供給するため、排気ガスの全量を排気マニホールド１２から高圧段タービン４Ｔに供給できる。この排気ガスにより高圧段ターボチャージャ４が十分に仕事を行うため、ＬＰ−ＥＧＲの利用に関係なく、高圧段ターボチャージャ４を効率の高い領域で使用することができる。
【００１５】
しかし、第１ＥＧＲ通路５を流れるＥＧＲガスは、第１ＥＧＲ通路５の入口部と出口部の圧力差、すなわち低圧段タービン３Ｔの下流領域と、エアークリーナ１４と低圧段コンプレッサ３Ｃ間の圧力差により流れる構成となる。このＥＧＲガスを流すための圧力差を作る必要があり、低圧段タービン３Ｔから下流のＥＧＲガス取り込み部より更に下流部の排気通路に排気絞り弁２２を設置したり、エアークリーナ１４から高圧段コンプレッサ４Ｃの間の吸気通路に吸気絞り弁２３を設置したりする必要がある。この排気絞り弁２２又は吸気絞り弁２３を使用した場合には、エンジン２が空気を吸い込むときの抵抗であるポンピングロスの増加を招き、エンジン出力性能に悪影響を与えるという問題を有している。
【００１６】
また、吸気負圧の低いエンジン２の運転状態、すなわち高圧段ターボチャージャ４による過給が十分に行われていない状態では、第１ＥＧＲ通路５の入口部と出口部の間で圧力差が得られず、十分なＥＧＲガスを流すことが不可能となるという問題を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００７−１００６２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、高圧段過給器と低圧段過給器を備えた２段過給式の内燃機関において、始動時、低速低負荷運転状態、高速高負荷運転状態を含む、内燃機関の全運転状態で、高効率なＥＧＲを実現する内燃機関及びその制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関は、低圧段過給器及び高圧段過給器を設置した多段過給システムを有する内燃機関において、エアークリーナから、分岐部、高圧段コンプレッサ、合流部、インタークーラ、吸気マニホールドを連通してなる第１吸気通路と、前記分岐部から低圧段コンプレッサ、前記合流部を連通してなる第２吸気通路と、を有して２ステージ過給システムを構成し、低圧段タービンの下流の排気通路から、低圧段コンプレッサの上流の吸気通路へ、第１ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第１ＥＧＲ通路と、前記内燃機関の排気マニホールドから前記吸気マニホールドへ、第２ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第２ＥＧＲ通路と、前記分岐部と前記低圧段コンプレッサの間の吸気通路に設置した吸気通路切換え弁と、を有してＥＧＲシステムを構成すると共に、前記高圧段過給器をスーパーチャージャで構成し、前記低圧段過給器を、排気タービンによる運転及び電動機運転若しくは発電器運転を行えるように構成したことを特徴とする。
【００２０】
この構成により、第１ＥＧＲ通路を、低圧段タービンの下流から低圧段コンプレッサの上流に設置しているため、吸気通路切換え弁を閉止し、低圧段過給器を電動機運転して、低圧段コンプレッサを回転する制御により、ＥＧＲガスを過給することが可能となる。これにより、ＥＧＲの量が増加するため、排気ガスの低減と燃費の向上を実現することができる。
【００２１】
また、従来、ターボチャージャのウエストゲートの開放等により捨てていた排気ガスエネルギーを、低圧段過給器の発電器運転により、回収することができる。
【００２２】
上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関の制御方法は、低圧段過給器及び高圧段過給器を設置した多段過給システムを有する内燃機関において、エアークリーナから、分岐部、高圧段コンプレッサ、合流部、インタークーラ、吸気マニホールドを連通してなる第１吸気通路と、前記分岐部から低圧段コンプレッサ、前記合流部を連通してなる第２吸気通路と、を有して２ステージ過給システムを構成し、低圧段タービンの下流の排気通路から、低圧段コンプレッサの上流の吸気通路へ、第１ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第１ＥＧＲ通路と、前記内燃機関の排気マニホールドから前記吸気マニホールドへ、第２ＥＧＲ弁を経由してＥＧＲガスを導入する第２ＥＧＲ通路と、前記分岐部と前記低圧段コンプレッサの間の吸気通路に設置した吸気通路切換え弁と、を有してＥＧＲシステムを構成すると共に、前記高圧段過給器をスーパーチャージャで構成し、前記低圧段過給器を、排気タービンによる運転及び電動機運転若しくは発電器運転を行えるように構成した内燃機関の制御方法であって、前記内燃機関が第１の運転状態である際に、前記吸気通路切換え弁を閉止し、前記第１吸気通路を介して、前記高圧段過給器で過給を行い、かつ、前記低圧段過給器を電動機運転し、前記第１ＥＧＲ弁の開度を制御し、前記第１ＥＧＲ通路を介して、前記低圧段コンプレッサにＥＧＲガスを導入する第１制御を行うことを特徴とする。
【００２３】
この構成により、例えば内燃機関の始動時、又は低速低負荷運転状態から中速中負荷運転状態等の第１の運転状態において、第１ＥＧＲを通過するＥＧＲガスを、低圧段過給器の電動機運転で過給することができるため、ＥＧＲ量が増加し、排気ガスの低減と燃費の向上を実現することができる。
【００２４】
上記の内燃機関の制御方法において、前記内燃機関が第２の運転状態である際に、前記吸気通路切換え弁を開放し、第２吸気通路を介して、前記低圧段コンプレッサで過給を行い、かつ、前記低圧段過給を発電器運転し、前記第２ＥＧＲ弁の開度を制御し、前記第２ＥＧＲ通路を介して、前記吸気マニホールドにＥＧＲガスを導入する第２制御を行うことを特徴とする。
【００２５】
この構成により、例えば、内燃機関の高速高負荷運転状態等の第２の運転状態において、低圧段過給器が過回転状態である場合、この回転力を低圧段過給器の発電運転により回収することができるため、エネルギー効率を向上することができる。
【００２６】
上記の内燃機関の制御方法において、前記内燃機関が第３の運転状態である際に、前記吸気通路切換え弁を開放し、第２吸気通路を介して、前記低圧段コンプレッサで過給を行い、かつ、前記第２ＥＧＲ弁の開度を制御し、前記第２ＥＧＲ通路を介して、前記吸気マニホールドにＥＧＲガスを導入する第３制御を行うことを特徴とする。
【００２７】
この構成により、例えば、内燃機関の中速中負荷運転状態から高速高負荷運転状態等の第３の運転状態において、低圧段過給器が十分に仕事を行い、大容量の過給を実現しながら、第２ＥＧＲ通路を利用したＥＧＲにより、排気ガスを効率的に内燃機関に再循環することができるため、高効率なＥＧＲを実現することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係る内燃機関及びその制御方法によれば、低圧段過給器と高圧段過給器を有する２ステージ過給システムに、第１ＥＧＲ通路と第２ＥＧＲ通路を有するＥＧＲシステムを導入し、かつ、高圧段過給器をスーパーチャージャとし、低圧段過給器を、排気タービンによる運転及び電動機運転若しくは発電器運転を行えるようにした構成により、内燃機関の始動時、低速低負荷運転状態、中速中負荷運転状態、高速高負荷運転状態等を含む内燃機関の全運転状態で、高効率なＥＧＲを実現し、排気ガスを低減した内燃機関及びその制御方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る実施の形態の内燃機関の構成を示した図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の内燃機関の構成を示した図である。
【図３】本発明に係る実施の形態の内燃機関の制御フローを示した図である。
【図４】本発明に係る実施の形態の過給システム及びＥＧＲシステムの制御マップを示した図である。
【図５】従来技術の２ステージターボのＥＧＲシステムの構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関及びその制御方法について、図面を参照しながら説明する。図１に本発明に係る実施の形態のＥＧＲシステム１の構成を示しており、
このＥＧＲシステム１は、２ステージ過給システムに、第１ＥＧＲ通路５及び第２ＥＧＲ通路７を設置している。
【００３１】
詳しくは、エアークリーナ１４から、分岐部Ｐ１、高圧段コンプレッサ（スーパーチャージャ）９、合流部Ｐ２、インタークーラ１５ａ、吸気マニホールド１１を連通してなる第１吸気通路２５と、分岐部Ｐ１から低圧段コンプレッサ３Ｃ、合流部Ｐ２を連通してなる第２吸気通路２６を有している。
【００３２】
また、低圧段タービン３Ｔの下流の排気通路に設けた入口部Ｐ３から、低圧段コンプレッサ３Ｃの上流の吸気通路に設けた出口部Ｐ４へ、第１ＥＧＲ弁６を経由してＥＧＲガスを導入する第１ＥＧＲ通路５と、エンジン（内燃機関）２の排気マニホールド１２から吸気マニホールド１１へ、第２ＥＧＲ弁８を経由してＥＧＲガスを導入する第２ＥＧＲ通路７と、分岐部Ｐ１と低圧段コンプレッサ３Ｃの間の吸気通路に設けた吸気通路切換え弁１０を有している。
【００３３】
更に、高圧段過給器をスーパーチャージャ９で構成するとともに、低圧段過給器３を、排気タービンによる運転及び電動機運転若しくは発電器運転を行えるように構成している。
【００３４】
ここで、スーパーチャージャ９とは、排気ガスの動力ではなく、エンジン２等の動力により高圧段コンプレッサを作動するように構成した過給器のことをいう。
【００３５】
また、図１には吸入空気Ａ、排気ガスＧ、及びＥＧＲガスＥの流れをそれぞれ矢印で示しており、各気体の流れは、エンジン（内燃機関）２が始動時又は低速低負荷若しくは中速中負荷運転状態等の第１の運転状態であり、過給を高圧段過給器（スーパーチャージャ）９で行い、ＥＧＲを第１ＥＧＲ通路５で行う第１制御の様子を示している。
【００３６】
まず、第１制御における各気体の流れに関して説明する。白抜き矢印で示す吸入空気Ａは、エアークリーナ１４から導入し、分岐部Ｐ１、高圧段コンプレッサ（スーパーチャージャ）９、合流部Ｐ２、インタークーラ１５ａ、吸気マニホールド１１を介してエンジン２に供給する。ここで、吸気切換え弁１０は閉止した状態である。
【００３７】
また、黒塗り矢印で示す排気ガスＧは、エンジン２から、排気マニホールド１２、低圧段タービン３Ｔ、後処理装置２０からマフラー（図示しない）を介して外界に排出する。更に、線状の矢印で示すＥＧＲガスＥは、低圧段タービン３Ｔの下流の排気通路から分岐した第１ＥＧＲ通路５のＥＧＲクーラ１５ｂ、第１ＥＧＲ弁６を経由して、吸気通路切換え弁１０の下流でかつ、低圧段コンプレッサ３Ｃの上流の吸気通路に供給する。このＥＧＲガスＥを、合流部Ｐ２で吸入空気Ａと合流させ、インタークーラ１５ａに送る。
【００３８】
ここで、第１ＥＧＲ通路５の入口部Ｐ３から出口部Ｐ４に、ＥＧＲガスＥを効率的に流すために、低圧段過給器３のコンプレッサ３Ｃを電動機運転する。これにより、低圧段コンプレッサ３Ｃの上流側、すなわち第１ＥＧＲ通路５の出口部Ｐ４の圧力が低下し、低圧段タービン３Ｔの下流側、すなわち第１ＥＧＲ通路５の入口部Ｐ３の圧力が上昇する。つまり、ＥＧＲガスＥを低圧段過給器３で過給する構成により、この第１ＥＧＲ通路５の入口部Ｐ３と出口部Ｐ４の圧力差が大きくなり、ＥＧＲガスＥを効率的に流すことができるようになる。
【００３９】
なお、低圧段過給器３及び第１ＥＧＲ弁６等の制御や、エンジン２の運転状態の判断等は、図１に示す制御装置１９や適宜設置した各種センサ１８によって行うことができる。
【００４０】
図２には吸入空気Ａ、排気ガスＧ、及びＥＧＲガスＥの流れをそれぞれ矢印で示しており、各気体の流れは、エンジン（内燃機関）２が高速高負荷運転状態等であり、かつ、低圧段タービン３Ｔが過回転の状態である第２の運転状態であり、過給を低圧段過給器３で行い、ＥＧＲを第２ＥＧＲ通路７で行う第２制御の様子を示している。このとき、吸入通路切換え弁１０を開放しており、吸入空気Ａを低圧段コンプレッサ３Ｃにより過給して、エンジン２に供給する。
【００４１】
この第２制御は、低圧段タービン３Ｔが過回転の状態である場合に、低圧段過給器３を発電器運転とすることで、低圧段タービン３Ｔの回転数を抑えながら、この回転エネルギーを回収することを特徴としている。なお、従来は、低圧段タービン３Ｔに設けたウエストゲートを開放して、排気ガスＧを外界に排出して、低圧段タービン３Ｔの過回転を抑制していた。そのため、排気ガスＧの有しているエネルギーを回収することが困難であった。
【００４２】
また、エンジン２が中速中負荷から高速高負荷運転状態等である第３の運転状態では、過給を低圧段過給器３で行い、ＥＧＲを第２ＥＧＲ通路７を利用する第３制御を行う。この第３制御は、各気体の流れは、第２制御と同様であるが、低圧段過給器３は、発電器運転ではなく、排気タービン運転で制御することを特徴としている。つまり、エンジン２から排出した排気ガスＧにより、低圧段タービン３Ｔを回転させ、この回転力を低圧段コンプレッサ３Ｃに伝達し、低圧段コンプレッサ３Ｃの回転で、吸入空気Ａを過給する構成としている。
【００４３】
この第３制御により、低圧段過給器３が十分に仕事を行い、大容量の過給を実現しながら、第２ＥＧＲ通路７を利用したＥＧＲにより、排気ガスＧを効率的にエンジン２に再循環することができるため、高効率なＥＧＲを実現することができる。
【００４４】
図３に、ＥＧＲシステム１の制御フローを示す。このＥＧＲシステム１は、Ｓ２でエンジンの運転状態と、過給状態を判定し、第１ＥＧＲ通路５又は第２ＥＧＲ通路７によるＥＧＲの実施を選択する。第１ＥＧＲ通路５によるＥＧＲを選択した場合（Ｓ３）、吸気通路切換え弁１０を閉止し（Ｓ４）、第１の運転状態（Ｓ１０）であると判断する。第１の運転状態では、低圧段過給器３を電動機運転する（Ｓ１１）第１制御を実行する。また、第１制御において、高圧段過給器（スーパーチャージャ）９の運転を行う（Ｓ１２）場合もある。
【００４５】
なお、低圧段過給器３及び第１ＥＧＲ弁６等の制御や、エンジン２の運転状態及び過給状態の判断は、図１に示す制御装置（ＥＣＵ等）１９や適宜設置した各種センサ１８によって行うことができる。
【００４６】
また、ＥＧＲシステム１は、Ｓ２で第２ＥＧＲ通路７によるＥＧＲを選択した場合（Ｓ５）、吸気通路切換え弁１０を開放（Ｓ６）する。その後に、低圧段過給器３の回転数が、予め定めた回転数（第１閾値）を越える過回転状態であると判断した場合（Ｓ７）、第２の運転状態（Ｓ２０）であると判断する。第２の運転状態では、低圧段過給器３を発電器運転する（Ｓ２１）第２制御を実行する。ここで、発電した電気を、エンジン２とともに設置した蓄電装置等へ蓄電する（Ｓ２２）。
【００４７】
また、低圧段過給器３の回転数が第１閾値を越えない回転状態であると判断した場合（Ｓ７）、第３の運転状態（Ｓ３０）であると判断する。第３の運転状態では、低圧段過給器３を排気タービン運転する（Ｓ３１）第３制御を実行する。
【００４８】
図４Ａに、エンジン２の運転状態と過給状態の関係を示す過給システムの制御マップを
示しており、縦軸に燃料噴射量、横軸にエンジン速度を示し、Ｆ１からＦ３は各過給器の制御の状態を示している。
【００４９】
具体的には、エンジン２の始動時又は低速低負荷運転状態では、低圧段過給器３を電動機運転する制御（Ｆ１−１）を行い、低速低負荷から中速中負荷運転状態では、低圧段過給器３の電動機運転に加え、高圧段過給器（スーパーチャージャ）９を運転する制御（Ｆ１）を行う。更に、エンジン２が中速中負荷から高速高負荷運転状態の場合で、かつ、低圧段タービン３Ｔが過回転の状態である場合は、低圧段過給器３を発電器運転する制御（Ｆ２）を行い、それ以外の中速中負荷から高速高負荷運転状態では、低圧段過給器３を排気タービン運転する制御（Ｆ３）を行う。
【００５０】
同様に、図４Ｂに、エンジン２の運転状態とＥＧＲを行う通路の関係を示すＥＧＲシステムの制御マップを示している。具体的には、エンジン２の始動時又は、低速低負荷から中速中負荷運転状態では、第１ＥＧＲ通路５でＥＧＲを行う制御（ｆ１）を行い、中速中負荷から高速高負荷運転状態では、第２ＥＧＲ通路７でＥＧＲを行う制御（ｆ２）を行う。
【００５１】
つまり、図４は、エンジン２における過給システム及びＥＧＲシステムの状態をまとめたものであり、例えば、エンジン２が始動時又は低速低負荷から中速中負荷運転状態（第１の運転状態）では、ＥＧＲシステムは第１ＥＧＲ通路５によりＥＧＲを行い（ｆ１）、過給システムは低圧段過給器３の電動機運転（Ｆ１−１）、または、前記に高圧段過給器（スーパーチャージャ）９の運転を加えた制御（Ｆ１）を行う。この制御は、第１制御である。
【００５２】
また、エンジン２が高速高負荷運転状態で、かつ、低圧段過給器３が過回転状態（第２の運転状態）では、ＥＧＲシステムは第２ＥＧＲ通路７によりＥＧＲを行い（ｆ２）、過給システムは低圧段過給器３の発電器運転（Ｆ２）を行う。この制御は、第２制御である。
【００５３】
また、エンジン２が中速中負荷運転状態から高速高負荷運転状態（第３の運転状態）では、ＥＧＲシステムは第２ＥＧＲ通路７によりＥＧＲを行い（ｆ２）、過給システムは低圧段過給器３の排気タービン運転（Ｆ３）を行う。この制御は、第３制御である。
【００５４】
次に、制御の具体例として、例えば、エンジン２が停止状態から加速し、高速高負荷運転状態に至る場合の制御を説明する。まず、エンジン始動時には、第１制御を選択し（Ｓ３、４、１０〜１２）、エンジン２は第１ＥＧＲ通路５でＥＧＲを行いながら加速していく。このとき、吸入空気Ａの過給を高圧段過給器（スーパーチャージャ）９で行う。また、低圧段過給器３の電動機運転により、ＥＧＲガスＥを過給するため、ＥＧＲ量が増加して、高効率なＥＧＲを実現し、排気ガスを低減した内燃機関及びその制御方法を提供することが可能となる。
【００５５】
次に、エンジン２の加速に伴い、ＥＧＲを第２ＥＧＲ通路７に切換え（Ｓ５）、低圧段過給器３を排気タービン運転する第３制御（Ｓ３０）を行う。このとき、高圧段過給器（スーパーチャージャ）９は動作を停止している。
【００５６】
次に、更にエンジン２の回転数が上昇し、低圧段過給器３の回転数が第１閾値を越え、過回転であると判断した場合（Ｓ７）、第２制御（Ｓ２０）を行う。このとき、低圧段過給器３は発電器運転を行い（Ｓ２１）、蓄電装置へ蓄電する（Ｓ２２）により、排気ガスのエネルギーを回収するため、エネルギー効率を向上することができる。
【００５７】
以上のように、エンジン２の運転状態に合わせて、第１制御、第２制御及び第３制御を選択して、多段過給システム及びＥＧＲシステムの制御を行う構成により、エンジン２の全運転状態において、効率的にＥＧＲを行うことが可能となる。特に従来は困難であった、エンジン２の始動時又は低速低負荷運転状態におけるＥＧＲを、低圧段過給器３によるＥＧＲガスＥの過給により、向上することができ、ＮＯｘの削減を実現したＥＧＲシステムを提供することが可能となる。
【符号の説明】
【００５８】
１  ＥＧＲシステム
２  エンジン（内燃機関）
３  低圧段過給器（低圧段ターボチャージャ）
３Ｃ  低圧段コンプレッサ
３Ｔ  低圧段タービン
４  高圧段過給器（高圧段ターボチャージャ）
４Ｃ  高圧段コンプレッサ
５  第１ＥＧＲ通路
６  第１ＥＧＲ弁
７  第２ＥＧＲ通路
８  第２ＥＧＲ弁
９  スーパーチャージャ
１０  吸気通路切換え弁
１１  吸気マニホールド
１２  排気マニホールド
２５  第１吸気通路
２６  第２吸気通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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